盾构施工地面沉降制技术

1、盾构施工地面沉降控制技术摘要： 随着现在对环境控制的要求越来越高，对盾构穿过城市中 心重要建筑时的影响要求极为严格 （ 一般要求施工时地面沉降控制在 +10mnr 30mm之内）。盾构施工不可避免地干扰原土层的平衡状态， 虽从理论上可实现无沉降施工， 但限于目前工艺和施工手段、 操作质 量，几乎无法做到地面无沉降或隆起。关键词： 盾构施工；沉降；监测一. 工程概况大连地铁2号线201标段西安路站交通大学站区间隧道起讫里 程为 DK16+787.331DK18+443.793,全长 1656.462 米。区间出西安 路站后，沿西安路方向斜向西南方向行走，穿越大连市发电厂、马栏 河转向，沿西部大通

2、道侧边向西北方向走行，再次穿越马拦河后，穿 越大连市自来水集团有限公司后并入黄河路， 到达交通大学站， 区间 下穿建筑物较多，包括 5、6、7 层建筑物各 1 栋， 2 层 2 栋和 1 层 3 栋及大连市发电厂、 大连市自来水集团有限公司大片厂房。 地下管线 密布，纵横交错，种类繁多。采用盾构法施工，区间隧道施工要在不 影响临近建筑物和市政管线正常使用的条件下进行。二. 沉降的基本规律根据盾构施工引起纵向地表沉降时间先后 ,按地表沉降变形曲线 的形态 ,将纵向地表沉降划分为五个阶段：即盾构到达前地表沉降、 盾构到达时的地表沉降、 盾构通过时的地表沉降、 盾尾建筑空隙引起的沉降及后期地表固结沉

3、降。1. 盾构到达前地表沉降：盾构开挖面尚未到达测点以前的沉降或 隆起主要是由密封仓压力波动引起 ,当密封仓压力偏低时造成盾构开 挖面应力释放 ,引起地面沉降；反之 ,开挖面土体挤压 , 引起地面隆起。2. 盾构到达时的地表沉降：开挖面到达测点 ,周围土体因开挖卸荷 导致弹性或塑性变形发生 , 引起地面沉降； 如开挖面设定压力过大时 产生隆起。3. 盾构通过时的地表沉降：开挖面到达测点至盾尾离开测点期间 发生的沉降或隆起 .主要是由于盾壳向前移动过程中盾壳对地层的摩 擦和剪切作用所引起， 盾壳外壳表面在施工过程中被粘附上一层黏土 或浆液 ,是盾壳体外周尺寸实际增大 ,从而增大了盾构建筑空隙 ,

4、亦增 加了地表变形。4. 盾尾建筑空隙引起的沉降： 盾尾离开测点后发生的沉降。 由于 盾构机外径大于管片外径 , 盾尾离开测点后 ,在地层中遗留下来的建 筑空隙就需要填充 ,以控制地表变形 .但往往因盾尾壁后注浆不及时或 注浆量 ,注浆压力 ,注浆部位 ,浆液配比和材料方面不适当 ,使建筑空隙 未能及时填充形成支撑 ,盾尾脱出后 ,无支撑能力的软土不能自立 ,自 行填充建筑空隙 ,造成地层应力释放。5. 后期地表固结沉降：盾尾脱出约一周后的地表沉降。主要由底 土蠕变而产生的塑性变形， 包括超孔隙水压消散引起的主固结沉降和 土体骨架蠕变引起的次固结沉降 .三. 区间隧道监测点布置1监测范围及布点

5、原则主要对地铁隧道中心轴线两侧 30m 范围之内及盾构推进施工段前 20m后30m范围内的地表土体进行竖向位移测量， 与施工同步进行。 在中心轴线上以 5m 的间距布置土体沉降监测点，并且每隔 50 场面 布置一条沉降剖面线，每条沉降剖面线布置 7 个沉降监测点（除中 心轴线上监测点外，轴线两侧各设三个，布设方法为2m、4m、7m）。对重点管线要加密监测点。2监测点埋设方法 首先根据隧道中心轴线走坐标，然后用全站仪及根据实地地形地 物进行中心轴线点的放样， 确定需要埋设监测点的实地位置。 剖面线 监测点布设方法与轴线监测点相同。 根据设计图纸现场踏勘， 如部分 点位有障碍物遮挡， 布点有困难，

6、 此时可适当将监测点位置沿中轴线 方向前后位移布设。（1）基点埋设方法。 基点应埋设在沉降影响范围以外的稳定区域， 并且应埋设在视野开阔、 通视条件较好的地方； 基点数量根据需要埋 设，基点要牢固可靠。（2）隆陷测点埋设用冲击钻在地表钻孔，然后放入长 200mmr 300mm直径20mm 30mm勺圆头钢筋，四周用水泥砂浆填实。3.地面监测在盾构施工中的作用和具体操作（1）作用盾构法施工是在地表面以下暗挖隧道的一种施工方法。近年来， 由于盾构法在技术上的不断改进， 机械化程度越来越高， 对地层的适 应性也越来越好。 由于其埋置深度可以很深而不受地面建筑物和交通 的影响，因此在水底公路隧道、 城

7、市地下铁道和大型市政工程等领域 均被广泛采用。随着城市隧道工程的增多，在道路、桥梁、建筑物下 进行盾构隧道施工，就必须要求将地层移动减少到最底程度。为此， 通过检测掌握由盾构施工引起的周围地层的移动规律及时采取必要 的技术措施改进施工工艺， 对于控制周围地层位移量， 确保临近建筑 物的安全是非常重要的。（2）监测方法、内容 盾构法进出洞工程的施工监测与进出洞的方法有关，大多可参考 基坑工程的监测方法。 盾构法施工隧道时所需的监测内容可分为两大 类：岩土介质和周围环境的监测及隧道结构的监测。 其中岩土介质和 周围环境的监测内容包括：盾构正面土压力、地表沉降和位移、土体 沉降和位移、土体应力和孔隙

8、水压力、构筑物沉降和倾斜等项目。隧 道结构的监测包括拱顶沉降和净空收敛。四地面沉降原因和预测1. 地面沉降的原因分析 无论是在施工阶段还是在基本营运阶段，隧道都会有发生沉降， 而且由于地质条件和施工条件沿隧道线路的变化， 隧道沉降又往往是 不均匀的， 其对地铁或交通隧道的长期正常工作的影响是不利的。 影 响盾构隧道地表沉降因素很多 ,盾构施工时影响地表沉降的因素涉及土层基本条件、设计基本要素、盾构型式及规格尺寸、盾构施工的操 作控制质量等诸多因素。具体来说，主要有地层性质、覆土厚度、开 挖模式、压力仓压力、出土量及盾构推进速度、掘进中的地层损失、 盾尾注桨开始时间、 注浆量和注浆压力、 隧道衬

9、砌在土压力作用下产 生变形及沉降引起少量的地层损失， 受扰土体的固结等， 地表沉降是 这些因素综合影响的结果。2. 地面沉降的防治措施对地面沉降控制技术分述如下 :（1）掘进模式选择盾构掘进根据不同的地质条件有敞开式、 半敞开式、 土压平衡式 和泥水加压平衡式以及混合掘进模式等多种掘进模式，以适应硬岩、 软硬混合地层和含水软岩以及含水松软地层 ,特别是在饱和含水、灵 敏度较高的软土等地区的掘进。本标段地层绝大部分是全断面的中风化钙质板岩， 适合软岩盾构 的掘进，且施工场地狭小故选用土压平衡盾构， 由于考虑到地下水丰 富故选用土压平衡复合型盾构。采用土压平横模式时， 碴土应有良好的流塑状态、 良

10、好的粘稠度、 低的内摩擦角和低的透水性 .当满足不了需求时，需给开挖面、混合 仓和螺旋输送机内注入外加剂对碴土进行改良， 使开挖土具有流动性 和止水性。另外，压缩的土体止水性差，当地下水压高时，易出现喷 发现象，这时要注入添加剂，使开挖土具有流动性和止水性，平衡开 挖面的土压和水压。 施工中采用的外加剂是泡沫和膨润土， 泡沫通过 盾构机上的泡沫系统注入， 膨润土以悬乳液的形式通过膨润土系统注 入到开挖仓和输送机进口， 当必要时向盾壳上注入， 及早充填盾壳背 空隙，控制地表沉陷。（2）掘进压力选择当盾构掘进时， 若开挖面受到的水平支护应力小于地层的原始侧 向应力，则开挖面土体向盾构内移动， 引起

11、地层损失而导致盾构上方 地面沉陷。反之，当作用在正面土体的推应力大于原始侧向应力时， 则开挖面土体向上向前移动， 引起负地层损失而导致盾构前上方土体 隆起。根据试掘进段 60环到 100环管片姿态测量成果，管片稳定后水 平方向浮动在-10 10mm竖直方向浮动在3040mm故将盾构机姿 态控制调整为水平偏差-10 10mm竖直偏差-45 -30mm进入正常 掘进段，决定提高掘进速度，故适当提升总推力，同时加大刀盘转速 至 1.82.0r/min ，以提高破岩速度， 螺机转速调整到 1518 r/min ， 保证出渣速度， 泡沫注入率由盾构司机在掘进过程中， 根据实际情况 调整。施工中反映，如果

12、推进土压力小于主动土压力，当隧道埋深不 大时，土体会向下滑移，导致地表沉陷。当沉降要求较为严格时，应 使盾构的推进力大于静土压力， 以使土体产生向前进方向的变形成滑 移，以达到减小地表沉陷的目的。加强监测和及时反馈信息，根据地 表隆起和沉陷状况调整推力， 加快出碴速度减小推力， 达到降低地表 隆起的目的；减小出碴量，提高正面压力，保持开挖面的稳定，达到 控制沉降目标。（3）壁后注浆 壁后注浆主要是为了防止由盾尾空隙引起的隧道周围围岩变位， 控制地表沉陷， 同时可以提高隧道的止水性， 使隧道管片与周围土体 形成整体保持结构稳定， 确保管片的早期稳定。 因此管片壁后注浆的 均匀和充分也是很重要的。

13、3. 注浆方式 :同步注浆和二次注浆（1）同步注浆。盾构推进时，盾尾形成短时间无支护状态的盾尾 空隙变形， 直接影响地表沉陷的大小。 采用同步注浆系统及盾尾的注 浆管在盾尾空隙形成的同时，采用盾构边掘进边注浆的同步注浆方 式，迅速注浆充分填实空隙并尽早获得设计强度， 及时防止围岩变形， 控制地表沉陷。经验表明，壁后注浆的开始时间越早，充填率越高。 采用 EPB 模式时，由于地层自稳能力差，同步注浆方式非常重要。（2）二次注浆。为提高壁后注浆层的防水性和密实均匀，必要时 在同步注浆结束后进行二次注浆。 若管片背后注浆不足， 将产生明显 漏水，不仅影响隧道使用， 还会产生因地下水的流动或水位下降，

14、造 成地表沉降。通过注浆孔钻孔入士体 2m对土体进行加固，有效止 水，控制地表沉降。（3）浆液的性能注浆浆液要流动性好， 便于盾构移动过程中续持不停的注浆； 一 环注浆结束后，浆液凝固有较好的强度，具有微膨胀性，避免后期收 缩变形；二次注浆材料要可注性强，能补充同步注浆的缺陷，对同步 注浆起充填和补充作用。当地下水特别丰富时，需要对地下水封堵。同时为了及早建立起浆液的高粘度， 以便在浆液向空隙充填的同时将 地下水疏干，获得最佳充填效果，需要将浆液的凝胶时间调整至I4min,必要时二次注浆可采用水泥一水玻璃双液浆。施工前应进行详 细的浆液配比试验，选定合适的注浆材料，添加剂及浆液配比，保证 所选

15、浆液配比、强度、耐久性等物理力学指标满足工程的设计要求。（4）施工控制同步注浆以注浆压力与注浆量进行双重控制, 二次补强注浆量根 据地质情况及注浆记录情况,分析注浆效果,结合监测情况,由注浆 压力控制。1）注浆压力 同步注浆时要求在地层中的浆液压力大于该点的静止水压及土压力之和,做到尽量填补同时又不产生劈裂。注浆压力过大,管片周围 土层将会被浆液扰动而造成后期地层沉降及隧道本身的沉降, 并易造 成跑浆,对刚拼装完成的管片影响也大；而注浆压力过小,浆液填充 速度过慢,填充不充足,会使地表变形增大,通常同步注浆压力一般 为 1.1 1.2 倍的静止土压力,二次注浆压力为 0.2 0.4MPa。2）

16、注浆量同步注浆量理论上是充填盾尾建筑空除, 但同时要考虑盾构推进 过程中的纠偏、 浆液渗透及注浆材料固结收缩等因素。 根据地质及线 路情况,注浆量一般为理论注浆量的 1.4 2.5 倍,并应通过地面变 形观测来调节。3）注浆速度及时间根据盾构机推进速度， 以每循环达到总注浆量而均匀注入， 盾构 机推进开始时注浆开始， 推进完毕注浆结束。 注浆速度应与盾构机的 掘进速度相适应。 过快可能会导致堵管， 过慢则会导致地层的坍塌或 使管片受力不均，产生偏压。4. 控制循环出碴量严格控制掘进速度， 控制每循环的出碴量， 保持开挖土量和出土 量的平衡， 密切关注出碴碴土的物理性能。 不同的地层考虑相应的松

17、 散系数来控制碴土量。5. 控制地层失水地下水的流动使土粒产生位移， 土粒间空隙压缩， 水位下降使土 体内有效应力增加而发生固结现象，造成地表沉降。就止水性而言， 粘性土的渗透系数较小 ,砂性土渗透系数大。对于土压平衡盾构机仅靠土仓和螺旋输送机的压缩效应不能有 效止水。掘进时密切关注开挖面的出水情况，当发现碴土太稀、水量 增大，开挖面有地下水涌出时，立即关闭螺旋输送机仓门，给开挖面 或土室内注入泡沫或膨润土外加剂以补充细微颗粒的不足或置换细 微颗粒中的空隙水， 使开挖土体具有止水性， 同时实现气压或土压平 衡模式掘进。6. 其他控制措施（1）盾构纠偏、在曲线推进。盾构在曲线推进、纠偏、抬头或

18、叩头推进过程中， 实际开挖断面不是圆形而是椭圆， 从而会引起附加 变形，此时应调整掘进速度与正面土压， 达到减少对地层的扰动和减少超挖的效果，从而减少地层的变形（2）固结沉降控制。盾构推进中的挤压作用和盾尾后的压浆作 用等施工因素， 使隧道周围地层形成正值超孔隙水压力区， 随着盾构 的离开，土体表面应力释放，超孔隙水压力逐渐消失，引起地层固结 变形而带来地面沉降。 超孔隙水压力消失后， 土体骨架还会因蠕变而 引起次固结变形，在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性粘土层中， 次固结沉降要持续几年以上，所占总沉降量比例达 35%以上。为此应 根据地面实施监测结果进行及时控制， 在管片衬砌背后实施跟踪回填 与固结注浆，尤其是对拱部 120范围进行地层固结注浆非常重要。（3）盾构暂停推进时，推进千斤顶可能漏油回缩引起盾构后退， 而使开挖面土体松弛造成地表沉陷，此时应作好防止盾构后退措施， 并对开挖面及盾尾采取封闭措施。（4）在土压力作用下， 隧道衬砌产生的变形或沉降也会引起少量 的地层损失。隧道衬砌沉降